CN101881448B - 径向贫直接注射燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及径向贫直接注射燃烧器，具体而言，用于燃气涡轮发动机的燃烧器包括燃烧管、多个空气通路、多个燃料通路以及径向空气旋流器；燃烧管具有入口端和出口端；多个空气通路在燃烧管中轴向地延伸，构造成从入口端向出口端输送空气流；多个燃料通路沿着燃烧管轴向地延伸的且围绕多个空气通路隔开，构造成从入口端向出口端输送燃料；径向空气旋流器设置在出口端处，构造成向出口端径向地引导空气流且给空气流赋予旋转。在燃气涡轮机的燃烧器中混合空气和燃料的方法包括在入口端处将空气流引入空气通路；将燃料引入燃料通路；在出口端处旋转空气流；以及径向地将燃料注入旋转着的空气流。
Description
技术领域
本发明涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧器的空气燃料混合器，以及混合空气和燃料的方法。
背景技术
燃气涡轮机制造商定期地参与研究与设计计划以制造新的燃气涡轮机，其将以高效率运行而不会产生不合需要的空气污染排放。由燃气涡轮机燃烧传统的碳氢化合物燃料而通常产生的主要空气污染排放物为氮氧化物、一氧化碳以及未燃烧的碳氢化合物。在通风发动机(airbreathingengine)中的分子氮的氧化高度依赖于燃烧系统反应区域中的最高热气体温度。形成氮氧化物(NOx)的化学反应速度为温度的指数函数。如果燃烧室热气体的温度被控制在足够低的水平，将以低得多的速度产生热氮氧化物(thermalNOx)。
将燃烧器反应区域的温度控制在形成热氮氧化物的水平以下的一种方法是在燃烧前将燃料和空气预混合成贫混合物。存在于贫预混合燃烧器的反应区域中的过量空气的热质量吸收热且将燃烧产物的温度上升降低至一个水平，在该水平下热氮氧化物以可接受的速度形成，从而保持在排放标准内。
存在与干式低排放燃烧器相关的若干问题，干式低排放燃烧器利用燃料和空气的贫预混合运行，其中燃料和空气的可燃混合物存在于燃烧器的预混合部内，该预混合部位于燃烧器的反应区域的外部。由于回火或者自发火(autoignition)，存在在预混合部内发生燃烧的倾向；回火在火焰从燃烧器反应区域传入预混合区域时发生，且导致火焰驻留在燃料喷射柱(喷射横流)或叶片后缘之后的尾流中；自发火发生在停留时间(dwelltime)以及在预混合部中的燃料/空气混合物的温度足以使燃烧无需点火装置即可开始时。在预混合部中燃烧的结果是排放性能劣化和/或对预混合部的过热以及损坏，预混合部典型地不设计用来承受燃烧的热。由此，一个需要解决的问题是防止导致预混合器内的燃烧的回火或自发火。
另外，离开预混合器并进入燃烧器的反应区域的燃料和空气的混合物必须非常均匀，以达到所希望的排放性能。如果在流场中存在燃料/空气混合强度明显富于平均水平的区域，则这些区域中的燃烧产物将会达到比平均水平更高的温度，并将形成热氮氧化物。这可导致无法满足依赖于温度和停留时间的结合的NOx排放目标。如果在流场中存在燃料/空气混合强度明显贫于平均水平的区域，则可发生熄火，而无法将碳氢化合物和/或一氧化碳氧化至平衡水平。这可导致无法满足一氧化碳(CO)和/或未燃烧碳氢化合物(UHC)排放目标。因此，另一个需要解决的问题是产生离开预混合器的燃料/空气混合强度分布，该燃料/空气混合强度分布足够均匀以满足排放性能目标。
更进一步，为了满足在许多应用中强加于燃气涡轮机的排放性能目标，有必要将燃料/空气混合强度降低到接近对于大多数碳氢化合物燃料的可燃性下限(leanflammabilitylimit)的水平。这导致火焰传播速度与排放的降低。结果，与更传统的扩散型火焰燃烧器相比，贫预混合燃烧器趋向于较不稳定，且经常导致高水平的燃烧驱动动态压力波动(动态变化(dynamics))。动态变化可具有不利后果，例如由于磨损或疲劳、回火或熄灭而产生的燃烧器和涡轮机硬件损坏。因此，另一个要解决的问题是将燃烧动态变化控制到可接受地低的水平。
用于减轻排放的贫预混合燃料喷射器在整个行业中使用，二十多年来，已经被简化为在重型工业燃气涡轮机中实施。在美国专利5,259,184中描述了此类装置的代表性示例。在减轻燃气涡轮机废气排放的领域中，此类装置已经取得进展。在不使用例如蒸汽或水的稀释剂注射的情况下，已经实现相对于现有技术的扩散火焰燃烧器将氮氧化物、NOx、排放物减少一个数量级甚至更多。
然而如上文指出，这些排放性能方面的得益是冒着引起若干问题的风险取得的。尤其是在装置的预混合部内的回火和驻焰(flameholding)导致因过热而产生的排放性能劣化和/或硬件损坏。另外，增长的燃烧驱动动态压力活动的水平导致因磨损或高周疲劳失效产生的燃烧系统部件和/或燃气涡轮机其他部件的有效寿命降低。又更进一步，为避免引起高水平动态压力活动、回火或熄灭的条件，燃气涡轮机操作复杂性增加和/或对燃气涡轮机的操作限制是必要的。
除这些问题之外，传统贫预混合燃烧器没有以燃料和空气的理想均匀的预混合实现可能的最大排放降低。
发明内容
根据本发明的一个实施例，用于燃气涡轮发动机中的燃烧器包括燃烧管、多个空气通路、多个燃料通路以及径向空气旋流器；燃烧管具有入口端和出口端；多个空气通路在燃烧管中轴向地延伸，构造成从入口端向出口端输送空气流；多个燃料通路沿燃烧管轴向地延伸且围绕多个空气通路隔开，构造成从入口端向出口端输送燃料；径向空气旋流器设置在出口端处，构造成径向地将空气流引向出口端且给空气流赋予旋转。径向空气旋流器包括用来引导和旋转空气流的多个叶片以及端板。端板包括多个燃料注射孔，以径向地将燃料注入旋转着的空气流。
根据本发明的另一个实施例，提供了在燃气涡轮机的燃烧器中混合燃料和空气的方法。燃烧器包括燃烧管，燃烧管包括入口端、出口端、多个轴向空气通路以及多个轴向燃料通路。该方法包括在入口端处将空气流引入空气通路；将燃料引入燃料通路；在出口端处旋转空气流；以及径向地将燃料注入旋转着的空气流。
附图说明
图1至5示意性地描绘了根据一个实施例的燃烧器。
图6示意性地描绘了根据另一个实施例的燃烧器。
图7和8示意性地描绘了根据又一个实施例的燃烧器。
图9示意性地描绘了根据再一个实施例的燃烧器。
图10示意性地描绘了根据又再一个实施例的燃烧器。
部件列表
2燃烧器
4燃烧管
6入口端
8出口端
10凸缘
12空气通路
14燃料通路
16燃料注射孔
18中心体
20中心通路
22径向空气旋流器装置
24注射的燃料(燃料通路)
26空气流
28叶片
30注射的燃料(中心体)
32中心体尖端
34轴线
36前面/前板
38燃料注射孔
40薄环形部
42中心体末端部分
44燃料注射管
46燃料注射管
具体实施方式
参考图1至5，燃烧器2包括具有入口端6和出口端8的燃烧管4。给燃烧管4提供凸缘10用于将燃烧器2安装到燃气涡轮发动机中。应该理解的是凸缘10可与燃烧管4一体地形成，或者可单独地提供。也应该理解的是可给燃烧器2提供其它安装装置。
燃烧管4包括多个空气通路12。空气通路12环绕包括中心通路20的中心体18。中心体18与燃烧管4的轴线34共轴。多个燃料通路14围绕空气通路12设置。径向空气旋流器装置22设置在燃烧器2的出口端8处，以给空气流26赋予旋转(图2)。径向空气旋流器装置22包括多个叶片28，多个叶片28围绕出口端8的圆周设置在前板36和中心体18的中心体尖端32之间。
在前板36中设置了多个燃料注射孔16，以从燃料通路14径向地将燃料注入燃烧管4。从燃料通路14注射的燃料24与由径向空气旋流器装置22的叶片28旋转的空气流26混合。在燃烧器2的出口端8处，燃料24被注入空气流，此处大部分空气质量流集中在薄的环形部40中(图5)。注射的燃料30也从中心体18的中心通路20经过中心体尖端32提供。由于空气和燃料没有预混合，驻焰被减轻或消除。前板36也被空气流冷却，而叶片28如鳍片一样作用而协助传热。
中心体18包括末端部分42，该末端部分42构造成减小回流区域且加速空气流26，空气流26否则可能携带热燃烧产物或反应物回到燃烧管4中，这会产生局部过热点(localhotspots)并导致损坏。可利用中心体18来用第二燃料或后备燃料(例如天然气)启动。应该理解的是中心体18也可由用于液体燃料的液体燃料盒或雾化器组件替代。
注射的燃料24、30可为高反应性燃料，例如纯氢或各种氢/一氧化碳和碳氢化合物的混合物。在径向旋转着的空气流中注射燃料24、30提供了快速的空气燃料混合，这减少了排放，并防止了可发生在预混合燃烧系统中的不可预测的驻焰和回火。
可以改变燃料位置和渗透深度，这将提供对燃料分布和混合的更多控制，以减少和控制排放。可依赖于燃料的反应性而改变燃料位置，从而提供获得低排放必需的散布和混合。
参考图6，根据另一个实施例的燃烧器2包括围绕中心体尖端32设置的多个燃料注射孔38。
参考图7和8，在另一个实施例中，燃烧器2包括围绕前板36中的开口的外围设置的多个燃料注射管44。多个燃料注射管46围绕中心体尖端32设置。
如在图9中显示，在另一个实施例中，燃烧器2包括具有叶片28a、28b的径向空气旋流器装置22。燃料注射管44设置在叶片28a、28b之间，以注射与空气流26混合的燃料24，从而形成燃料-空气混合物。前板36可延伸到在燃料注射环44的出口附近的位置，以引导被叶片28b旋转的空气流26b与来自燃料孔的燃料24混合。由叶片28b提供的空气流26b与来自燃料注射管44的燃料24形成第一燃料注射环，而由叶片28a提供的空气流26a与来自燃料注射管44的燃料24形成第二燃料注射环。在图9中显示了两个径向空气旋流器，但应该理解的是可设置两个以上的径向空气旋流器。
参考图10，根据另一个实施例，除具有在出口44处设置在径向空气旋流器装置22的叶片28a、28b之间的燃料注射孔的燃料环之外，燃烧器2还包括在前板36中的燃料注射孔16。来自燃料注射孔16的燃料24以及来自燃料注射管44的燃料24与被叶片28b旋转的空气流26b形成第一燃料注射环。来自燃料注射管44的燃料24还与被叶片28a旋转的空气流26a形成第二燃料注射环。
如图9和10中所示，径向贫直接注射(leandirectinjection)可包括一个以上的旋流器和燃料注射环，以增强混合且适应燃烧器空气动力学流场。部分地由于增强的空气剪切，与出口附近的燃料环相比，径向旋流器之间的燃料注射环可使得能够与空气更快速地混合。径向旋流器之间的燃料注射管可较少地暴露于燃烧器火焰区域并降低燃料的任何热劣化且由此降低燃料焦化。如图9和10中所示，为了更低的NOx，可设置两个燃料注射环以减小富燃料、高温度的燃烧区域的尺寸。应该理解的是可设置两个以上的燃料注射环。额外的燃料注射环可使得能够在保持可接受的动态变化、燃料压缩成本、耐久性和排放的同时使用具有宽范围的沃泊数和反应速度的燃料。多个径向旋流器可在关小、排放、墙面供热(wallheating)、出口温度曲线和燃料适应性之间提供额外的折衷范围。
径向贫直接注射燃烧器可将高反应性燃料(例如纯氢或各种氢/一氧化碳与碳氢化合物的混合物)注入径向旋转的空气流场中，这提供了减少排放和防止在预混合燃烧系统中提出挑战的不可预测的驻焰和回火等问题所必需的快速空气燃料混合。
空气被径向地引入且旋转，燃料被径向地注入空气流，其中大部分空气质量流集中在燃烧器的出口部处的薄环形部中。燃料注射管的使用使得可以改变燃料位置和渗透深度，这可对燃料分布和混合提供更多控制，以减少和控制排放。燃料注射通路的数量和/或位置，或者燃料注射孔和/或燃料注射管的数量和/或位置，可设计成改善燃料分布与混合以获得更低的排放。
燃料径向注入旋转的空气流也可用作用于预混合燃烧器设计系统的预混合器。
虽然已经联系目前认为是最实用且优选的实施例对本发明进行了描述，但应该理解的是本发明不限于公开的实施例，相反，本发明意图覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种变型以及等价装置。
Claims (18)
1.一种用于燃气涡轮发动机中的燃烧器，包括：
燃烧管，其具有入口端和出口端；
多个空气通路，其在所述燃烧管中轴向地延伸，且构造成从所述入口端向所述出口端输送空气流；
多个燃料通路，其在所述燃烧管中轴向地且周向地延伸，并围绕所述多个空气通路隔开，且构造成从所述入口端向所述出口端输送燃料；以及
径向空气旋流器，其设置在所述出口端处，构造成径向地向所述出口端引导所述空气流，并给所述空气流赋予旋转，所述径向空气旋流器包括用来引导和旋转所述空气流的多个叶片以及在所述径向空气旋流器下游的环形端板，其中，所述端板包括周向地隔开且终止于所述环形端板的内圆周的多个燃料注射通路，以径向地将所述燃料注入所述径向空气旋流器下游旋转着的空气流。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器还包括：
在所述入口端和所述出口端之间同轴地布置在所述燃烧管中的中心体。
3.根据权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，所述中心体包括构造成将燃料输送到所述径向空气旋流器附近的位置的中心通路。
4.根据权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，所述中心体包括构造成减小回流区域并加速所述空气流的位于所述出口端附近的末端部分。
5.根据权利要求3所述的燃烧器，其特征在于，所述中心体包括围绕所述中心通路的多个燃料注射通路。
6.根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，围绕所述中心通路的所述燃料注射通路包括多个燃料注射管。
7.根据权利要求6所述的燃烧器，其特征在于，所述端板的燃料注射通路包括多个燃料注射管。
8.根据权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述多个叶片还包括限定第一环的第一多个叶片和限定第二环的第二多个叶片，其中多个燃料注射管设置在所述第一多个叶片和所述第二多个叶片之间。
9.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料注射管的出口在所述端板附近。
10.一种在燃气涡轮机的燃烧器中混合空气和燃料的方法，所述燃烧器包括燃烧管，所述燃烧管包括入口端和出口端、从所述入口端向所述出口端轴向地延伸的多个轴向空气通路以及围绕多个空气通路隔开的多个轴向燃料通路、位于所述出口端处的径向空气旋流器以及在所述径向空气旋流器下游的环形端板，所述方法包括：
在所述入口端处将空气流引入所述空气通路；
将燃料引入所述燃料通路；
在所述出口端处旋转所述空气流；以及
从周向地隔开并终止于所述环形端板的内圆周处的多个燃料注射通路径向地将所述燃料注入旋转着的空气流。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将第二燃料引入设置在所述燃烧管中的中心体的中心通路；以及
从所述中心体将所述第二燃料注入所述旋转着的空气流。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
从与所述中心通路径向地隔开的多个燃料注射通路将所述第二燃料注入所述旋转着的空气流。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述中心体的所述多个燃料注射通路包括多个燃料注射管。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述环形端板的所述多个燃料注射通路包括多个燃料注射管。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述出口端附近的所述中心体的末端上减小回流区域并加速所述空气流。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述径向空气旋流器包括用来引导和旋转所述空气流的多个叶片，所述多个叶片还包括限定第一环的第一多个叶片和限定第二环的第二多个叶片，其中在所述出口端处旋转所述空气流包括在所述第一环和所述第二环中旋转所述空气流。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述燃料包括氢气，或CO，或烃混合物，或它们的任意组合。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二燃料为天然气。
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